轻型纤维金属层板折叠夹芯的力学性能与能量吸收机理

Lightweight materials are of great significance in many fields, such as building and construction, aerospace, and transport. Fiber metal laminates (FMLs), as a kind of lightweight structural materials with great potential in various applications, combine the advantages of metals and fiber reinforced polymers (FRP), and exhibit the properties of low density, high strength, high fatigue resistance, high impact resistance, excellent corrosion resistance, high energy absorbing capacity, etc.. However, current studies are limited within FMLs plates. This project aims to apply FMLs in sandwich structures as a folded core with Miura-ori folding structure, and study the mechanical properties and energy absorbing capacity of FMLs folded core through quasi-static and dynamic mechanical tests. By studying the shape change with time of FMLs folded core, the law of dynamic shape evolution will be uncovered, a direct connection between microscale structures and macroscale properties will be built, and the energy absorption mechanism will be explored. The law of Influence will be examined by investigating the effects of material factors, geometric factors, and process factors. Rational design and property optimization will be realized by controlling the key influencing factors. This project will widen the application scope of FMLs, and provide theoretical bases for the application of FMLs folded core in lightweight construction materials.

材料轻量化对建筑工程、航空航天、交通运输等许多行业都有重要意义。纤维金属层板（FMLs）材料综合了金属与纤维增强聚合物（FRP）的优点，具有密度低、强度高、耐疲劳、抗冲击、耐腐蚀、能量吸收能力强等特点，是极具应用前景的轻型结构材料。然而，现有的研究仅局限在FMLs平板结构。本项目拟将FMLs材料用于制备基于Miura-ori折纸结构的夹层结构折叠夹芯，并通过准静态和动态测试考察夹芯的力学性能，评价其能量吸收能力。通过对冲击载荷下夹芯变形的动态分析，揭示夹芯宏观变形的动态演化规律，探明FMLs材料微观结构与夹芯宏观性能的关系，理清FMLs折叠夹芯的能量吸收机制；通过对材料参数、几何参数和过程参数的研究，揭示参数的影响规律；通过对关键影响因素的控制，实现对FMLs折叠夹芯的理性设计与性能优化。本项目将拓展FMLs材料的应用范围，为开发FMLs折叠夹芯在轻型建筑材料领域的应用提供理论依据。

纤维增强聚合物（FRP）复合材料具有轻质高强、耐腐蚀的优异性能，已经在航空航天、交通运输、建筑工程等工业领域具有越来越多的应用。纤维金属层板（FMLs）由FRP与金属薄板进一步复合获得，综合了FRP与金属材料各自的优点，作为结构材料具有巨大的应用潜力。本项目将通常用作平板材料的FMLs用于夹层板中三维折叠夹芯的制备，通过准静态压缩试验和低速冲击试验研究了FMLs折叠夹芯的变形演化过程、压缩性能、抗冲击性能和能量吸收能力，通过实验测量和有限元数值模拟分析了几何参数等影响因素对折叠夹芯及其夹层板的力学性能的影响规律，通过实验测量和数值模拟研究了改变纤维组成、调整金属层制备工艺等方法对折叠夹芯力学性能的影响，探索了FMLs折叠夹芯性能调控的途径，通过导热系数测量分析了FRP折叠夹芯夹层板的隔热能力。通过本项目研究，建立了FMLs折叠夹芯的实验室制备工艺，编写了折叠夹芯结构的可视化参数设计程序，获得了FMLs折叠夹芯的准静态力学性能、低速冲击响应特性和吸能特性，明确了以碳纤维增强环氧树脂和铝板构成的FMLs折叠夹芯在承载能力和吸能特性上的优势，提出了FMLs折叠夹芯性能优化和理性设计的思路，探明了折叠夹芯夹层板作为轻型建筑保温隔热板材的应用可行性。本项目的研究及成果将有助于丰富折叠夹芯夹层板力学性能及吸能特性的相关理论，进一步扩展FMLs的应用领域，也将为折叠夹芯夹层板在轻型建筑领域的应用提供实验和理论基础。